-
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
-
zum Auftrennen eines Gasgemisches, wie Luft, durch Adsorption.
-
Das Zusammensetzungsverhältnis von gasförmigem N2 und gasförmigem
02 in der Luft beträgt bekanntlich etwa 4:1, und das Partialdruckverhältnis dieser
Bestandteile beträgt ebenfalls etwa 4:1. Die von einem Adsorbens bzw.
-
Adsorptionsmittel adsorbierte Gasmenge variiert proportional zu diesen
Partialdrücken der Gase. Wenn beispielsweise ein Adsorbens gasförmiges 02 aus der
Luft unter einem Luftdruck von 5 ata (bar absolut) adsorbiert, beträgt der 02-Gaspartialdruck
etwa 1 ata. Wird dieser Luftdruck von 5 ata auf 1 ata verringert, so erniedrigt
sich der 02-Partialdruck auf etwa 0,2 ata, wobei der größte Teil des vom Adsorbens
adsorbierten gasförmigen 02 desorbiert wird. Bei einer Adsorptions-Auftrennvorrichtung
praktisch einsetzbarer Größe wird bei einfacher Luftdrucksenkung auf 1 ata das vom
Adsorbens adsorbierte gasförmige 02 nicht desorbiert. Der Grund dafür liegt hierin,
daß bei einer Luftdrucksenkung in der Adsorptionssäule auf 1 ata das gasförmige
02 vom Adsorbens desorbiert wird, so daß dabei der 02-Partialdruck um den Adsorbens
herum hoch wird, wobei sich jedoch der 02-Partialdruck um den Adsorbens herum nicht
verringert, weil die Strömungsmenge der die Adsorptionssäule durchströmenden Luft
zu niedrig ist und daher das gasförmige 02 um den Adsorbens herum verweilt, so daß
die Desorption des gasförmigen 02 nicht stattfindet und letzteres am Adsorbens adsorbiert
bleibt.
-
Eine bisherige Ausführungsform einer Adsorptions-Auftrennvorrichtung
für Luft, mit welcher das genannte Problem gelöst werden kann, ist im folgenden
anhand von Fig. 1 erläutert. Dabei wird unbehandelte (raw) Luft über eine Hauptspeiseleitung
a zu einem Luftkompressor bzw. Luftpresser b geleitet, der mit einem Nachkühler,
einem Wasserabscheider (drain separator) und dgl. zum Kühlen und Entfeuchten der
verdichteten Luft, die normalerweise hohe Temperatur besitzt, und erforderlichenfalls
auch mit einem (Tief-)Kühlgerät o.dgl. versehen sein kann.
-
Im Anschluß an den Kompressor b teilt sich die Hauptspeiseleitung
a in zwei Zweigleitungen cl, c2 auf. Restgas-Austragleitungen dl, e1 und d2, e2
sind mit Speiseleitungen cl bzw. c2 parallelgeschaltet, und in die betreffenden
Leitungen cl, dl, el, c2, d2 und e2 sind Ventile fl bis f6 eingeschaltet. Ein Hauptaustragleitungsteil
g kommuniziert mit den Austragleitungen dl und d2 und ist an eine Vakuumpumpe h
angeschlossen, von welcher ein Hauptaustragleitungsteil i abgeht. Ebenso kommuniziert
ein Hauptaustragleitungsteil j mit den Austragleitungen el und e2. Für die Leitungen
cl, dl und el ist ein gemeinsames Sammelrohr k vorgesehen, während ein gemeinsames
Sammelrohr 1 für die Leitungen c2, d2 und e2 vorgesehen ist. Die Sammelrohre sind
an zugeordnete Adsorptionssäulen m bzw. n angeschlossen, die jeweils mit einem Adsorbens
bzw. Adsorptionsmittel ml bzw. nl gefüllt sind.
-
Mit Ventilen q und r versehene N2-Gas-Abführleitungen o bzw. p verlaufen
von der jeweiligen Adsorptionssäule m bzw. n zu einem gemeinsamen Abführleitungsteil
s, der zu einem Behälter t führt, an den eine Hauptabführleitung u angeschlossen
ist. Die Säulen m und n sind so angeordnet, daß in ihnen abwechselnd ein Adsorptions-
und ein Desorptionsvorgang stattfinden.
-
Wenn beispielsweise die Adsorptionssäule m auf einen Adsorptionsschritt
übergeht, sind die Ventile f1, q offen und die Ventile f2, f3 geschlossen. Demzufolge
wird
die verdichtete, unbehandelte Luft vom Kompressor b über die Hauptspeiseleitung
a, die Speiseleitung cl, das Ventil fl und das Sammelrohr k zur Adsorptionssäule
m geliefert. Wenn diese Luft die Adsorptionssäule m durchströmt, wird gasförmiges
02 (als adsorptionsfähiger Gasbestandteil) aus der unbehandelten Luft gegen den
Adsorbens ml adsorbiert, während gasförmiges N2 (als nicht adsorptionsfähiger bzw.
nicht adsorbierter Gasbestandteil) kondensiert und über die Abführleitung o, das
Ventil q und den Abführleitungsteil s zum Behälter t abgeführt und weiterhin über
die Hauptabführleitung u als Gasprodukt aus der Anlage herausgeführt wird. Wenn
die Adsorptionssäule m auf beschriebene Weise auf den Adsorptionsschritt übergeht,
setzt außerdem in der anderen Adsorptionssäule n der Desorptionsschritt ein, wobei
das Ventil f6 offen ist, während die Ventile f4, f5 und r geschlossen sind. Demzufolge
wird um den Adsorbens nl herum befindliche Restluft über das Sammelrohr 1, das Ventil
f6,- die Austragleitung e2 und den Austragleitungsteil j aus der Anlage herausgeführt.
Anschließend wird das Ventil f6 geschlossen, und das Ventil f5 wird geöffnet. Die
um den Adsorbens nl herum befindliche Restluft wird somit abgesaugt und über das
Sammelrohr l, das Ventil f5, die Austragleitung d2, den Austragleitungsteil g, die
Vakuumpumpe h und den Austragleitungsteil i aus der Anlage herausgeführt, so daß
der in der Adsorptionssäule n herrschende Druck auf den Partialdruck des gasförmigen
02 bei Adsorption abfällt und somit das vom Adsorbens nl adsorbierte 02 desorbiert
wird, wobei der Adsorbens nl wieder aktiviert werden kann.
-
Ob gleich mit der vorstehend beschriebenen Adsorptions-Trennvorrichtung
für Luft das vorher genannte Problem gelöst werden kann, besteht dabei der Nachteil,
daß unter Druck stehendes Gas hoher 02-Konzentration über die Hauptaustragleitungsteile
j und i aus der Anlage herausgeführt wird, ohne genutzt zu werden.
-
Es sind bereits verschiedene Verfahren zur wirksamen Nutzung dieses
Druckgases vorgeschlagen worden; ein Beispiel für ein derartiges, bisheriges Verfahren
ist in Fig. 2 veranschaulicht. Bei der Adsorption-Trennvorrichtung gemäß Fig. 2
wird ein Teil des gasförmigen N2, das während eines Adsorptionsvorgangs abgetrennt
und kondensiert worden ist, über ein Strömungsmengen-Regelventil w in eine Adsorptionssäule
eingeführt, in welcher ein Drucksenkungsvorgang beendet worden ist. Durch Senkung
des Partialdruckes der Restluft um einen Adsorbens herum wird somit das vom letzteren
adsorbierte gasförmige 02 desorbiert und dann ausgespült und zur Austragleitung
g ausgetragen. Obgleich dabei auf eine Vakuumpumpe verzichtet werden kann, wird
ein Teil des aufwendig abgetrennten und kondensierten gasförmigen N2 während eines
Desorptionsvorgangs in der Adsorptionssäule verbraucht. Da außerdem das über die
Austragleitung g abgeführte bzw. ausgetragene Gas nicht genutzt wird, ergibt sich
beim Extrahieren von gasförmigem N2 als Gasprodukt das Problem, daß die Gewinnung
dieses Produkts mit erhöhten Kosten verbunden ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Lösung des eingangs
genannten Problems durch Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Auftrennung
eines Gasgemisches durch Adsorption, bei dem ein Adsorptionsschritt unter Einspeisung
eines unbehandelten Gases in eine mit einem Adsorbens bzw. Adsorptionsmittel gefüllte
Adsorptionssäule, um einen adsorptionsfähigen (adsorbate) Gasbestandteil zu adsorbieren
und einen nicht adsorptionsfähigen (unadsorbate) Gasbestandteil aus der Adsorptionssäule
abzuziehen, und ein Desorptionsschritt unter Drucksenkung in der Adsorptionssäule,
um den Adsorbens den an ihm adsorbierten Gasbestandteil desorbieren zu lassen und
dabei diesen Gasbestandteil zu gewinnen, in mehreren Adsorptionssäulen wiederholt
und in einem zueinander versetzten Takt durchgeführt werden.
-
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den in den beigefügten Patentansprüchen
gekennzeichneten Maßnahmen und Merkmalen.
-
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 und 2 Blockschaltbilder
zweier bisheriger Adsorptions-Trennvorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens
zur Auftrennung von Luft durch Adsorption und Fig. 3 bis 5 Blockschaltbilder verschiedener
Ausführungsformen einer Adsorptions-Trennvorrichtung gemäß der Erfindung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Adsorptions-Trennverfahrens.
-
Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.
-
Gemäß Fig. 3 umfaßt eine erste Ausführungsform eine Adsorptions-Trennvorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Hauptspeiseleitung 1 für
unbehandelte Luft und einen zum Verdichten und Fördern der unbehandelten Luft dienenden
Kompressor bzw. Luftpresser 2, der mit einem Nachkühler, einem Wasserabscheider
usw. zum Kühlen und Entfeuchten der verdichteten, hohe Temperatur besitzenden Luft
versehen ist und erforderlichenfalls auch mit einem (Tief-)Kühlgerät od.dgl. versehen
sein kann. Von der Hauptspeiseleitung 1 zweigen Speiseleitungen 3a, 3b und 3c für
unbehandelte Luft ab. Restgas-Leitungen 4a, 4b und 4c sind zu den Speiseleitungen
3a bis 3c parallelgeschaltet. Weiterhin sind Restgas-Austragleitungen 5a, 5b und
5c zu den Restgas-Austragleitungen 4a bis 4c parallelgeschaltet, während Restgas-Austragleitungen
6a bis 6c mit diesen Austragleitungen 5a bis 5c
parallelgeschaltet
sind. Eine gemeinsame bzw. Sammel-Restgas-Austraqleitung 7 kommuniziert mit den
genannten Austragleitungen 4a bis 4c, während eine Restgas-Hauptaustragleitung 8
mit den genannten Austragleitungen 5a bis 5c verbunden ist. Die Austragleitung 8
ist in Reihe mit einem Strömungsmengen-Regelventil 9, einem Beruhigungsbehälter
10 und einem Ventil 11 geschaltet und außerdem an eine Restgas-Hauptaustragleitung
12 angeschlossen, die mit den genannten Austragleitungen 6a bis 6c kommuniziert
. In die Leitung 12 ist außerdem ein Ventil 13 eingeschaltet, welches den Auslaß
bei 14 steuert.In den genannten Leitungen 3a, 4a, 5a, 6a, 3b, 4b, 5b, 6b, 3c,.
-
4c, 5c und 6c sind jeweils zugeordnete Ventile 15a bis 151 angeordnet.
Für die jeweiligen Leitungen 3a bis 6a, 3b bis 6b und 3c bis 6c ist jeweils ein
gemeinsames Sammelrohr 16, 17 bzw. 18 vorgesehen. Drei Adsorptionssäulen 19, 20
und 21 sind jeweils mit einem Adsorbens bzw. Adsorptionsmittel 19a, 20a bzw. 21a
gefüllt. Abführleitungen 25a bis 25c für gasförmiges N2 sind mit den betreffenden
N Abführleitungen 26a bis 26c sowie den betreffenden Restgas-Austragleitungen 27a
bis 27c parallelgeschaltet.
-
Weiterhin sind Restgas-Austragleitungen 28a bis 28c zu den Austragleitungen
27a bis 27c parallelgeschaltet, wobei letztere mit der beschriebenen Restgas-Hauptaustragleitung
12 verbunden sind. Darüber hinaus sind für die genannten Leitungen 25a bis 28a,
25b bis 28b und 25c bis 28c jeweils zugeordnete Sammelrohre 22, 23 bzw. 24 vorgesehen.
Die Leitungen 25a bis 28a, 25b bis 28b, 25c bis 28c sind jeweils mit einem Ventil
29a bis 291 versehen.
-
Eine gemeinsame N2-Abführleitung 30-kommuniziert mit den genannten
Abführleitungen 25a bis 25c und ist an einen Beruhigungsbehälter 31 angeschlossen,
mit dem eine N2-Hauptabführieitung 32 verbunden ist. Ein gemeinsame N Abführleitung
33 kommuniziert mit den genannten Abführleitungen 26a, 26b und 26c und ist außerdem
mit einem Beruhigungsbehälter 34 verbunden, an den eine N2-Hauptabführleitung 35
angeschlossen ist. (Bei dem "Restgas"
(cavity gas) handelt es sich
um das in den Poren des Adsorbens sowie in den Hohlräumen der Adsorptionssäulen
zurückgehaltene Gas.) Die gemeinsame Restgas-Austragleitung 36 kommuniziert mit
Austragleitungen 27a bis 27c und ist mit einem Strömungsmengen-Regelventil 37, einem
Beruhigungsbehälter 38 und einem Ventil 39 in dieser Reihenfolge versehen, bevor
sie in die Leitung 12 übergeht. Es ist darauf hinzuweisen, daß zwar eine automatische
Steuer- bzw. Regelvorrichtung zur Betätigung der verschiedenen Ventile in der Anlage
vorgesehen sein kann, im Blockschaltbild jedoch nicht dargestellt ist. Darüber hinaus
können auch vier oder mehr Adsorptionssäulan vorgesehen sein.
-
Im Betrieb der vorstehend beschriebenen Adsorptions-Trennvorrichtung
führen die drei Adsorptionssäulen 19, 20 und 21 die folgenden Vorgänge bzw. Verfahrensschritte
durch: I einen Hochdruck-Adsorptionsschritt, II primäre und sekundäre Drucksenkungsschritte
sowie einen Desorptionsschritt und III einen Niederdruck-Druckerhöhungsschritt,
einen Niederdruck-Adsorptionsschritt und einen Hochdruck-Druckerhöhungsschritt.
-
Diese Verfahrensschritte werden in der Reihenfolge I - II - III wiederholt
und zeitlich zueinander verschoben bzw.
-
in gestaffeltem Takt durchgeführt.
-
Wenn beispielsweise die Adsorptionssäule 19 auf den ersten der oben
beschriebenen Verfahrensschritte übergeht, sind nur die Ventile 15a und 29a offen.
Infolgedessen wird die durch den Kompressor 2 verdichtete, unbehandelte Luft über
die Hauptspeiseleitung 1, die Speiseleitung 3a, das
Ventil 15a
und das Sammelrohr 16 zur Adsorptionssäule 19 geleitet bzw. in diese eingespeist.
Während diese Luft die Adsorptionssäule 19 durchströmt, wird das in ihr enthaltene
gasförmige 02 (als adsorptionsfähiger Gasbestandteil) gegen den Adsorbens 19a adsorbiert,
während gasförmiges N2 (als nicht adsorbierter Gasbestandteil) -kondensiert und
über das Sammelrohr 22, die Abführleitung 25a, das Ventil 29a sowie die gemeinsame
bzw. Sammel-Abführleitung 30 zum Beruhigungsbehälter 31 abgeführt und weiterhin
als Gasprodukt über die Hauptabführleitung 32 aus der Anlage herausgeführt wird.
Bei Einleitung des ersten Verfahrensschritts in der Säule 19 geht die Adsorptionssäule
21 auf den zweiten Verfahrensschritt über, wobei die Ventile 151, 291 und 39 offen
und die Ventile 15i, 15j, 15k, 29i, 29j, 29k, 11 und 13 geschlossen sind, so daß
in der Adsorptionssäule 21 der im ersten Verfahrensschritt abgeschlossene primäre
Drucksenkungsschritt eingeleitet wird. Hierbei wird um den Adsorbens 21a herum vorhandenes,
unter vergleichsweise hohem Druck stehendes Restgas über das Sammelrohr 18, das
Ventil 151 und die Austragleitung 6c zur Hauptaustragleitung 12 und außerdem über
das Sammelrohr 24, die Austragleitung 28c und das Ventil 291 zur Hauptaustragleitung
12 geleitet und weiterhin von der Hauptaustragleitung 12 über das Ventil 39 zum
Behälter 38 geführt. Wenn sich die Innendrücke von Adsorptionssäule 21 und (Beruhigungs-)
Behälter 38 einander nahezu angeglichen haben, schließt das Ventil 39, und das Ventil
11 öffnet, um den sekundären Drucksenkungsschritt einzuleiten. In diesem Verfahrensschritt
wird das in der Hauptaustragleitung 12 befindliche Restgas zum Behälter geführt,
und wenn sich die Innendrücke von Behälter 10 und Säule 21 einander angeglichen
haben, wird das Ventil 11 geschlossen, während das Ventil 13 zur Einleitung des
dritten Drucksenkungsschritts geöffnet wird. In diesem Schritt wird das Restgas
aus der Anlage (nach außen) ausgetragen. Wenn sich der Innendruck der Adsorptionssäule
21 nahezu dem Partialdruck des gasför-
migen 02 in der der Säule
19 zugeführten unbehandelten Luft angeglichen hat, schließt das Ventil 13, worauf
die Reihe der Drucksenkungsschritte abgeschlossen ist. Anschließend geht die Adsorptionssäule
21 durch öffnen der Ventile 15j und 29k auf den Desorptionsschritt über.
-
Sobald zu Beginn oder während des dritten Drucksenkungsschritts der
0 2-Partialdruck erreicht ist, wird selbstverständlich der folgende Drucksenkungsschritt
augenblicklich beendet. Wenn die Ventile 15j und 29k an der Säule 21 offen sind,
wird ein im Behälter 38 gespeichertes Restgas niedriger 02-Konzentration über die
Ventile 37, 29k und 15j sowie die Leitungen 36, 27c, 24, 18 und 4c zur Hauptaustragleitung
7 in Strömung gesetzt, so daß der 02-Partialdruck in der Säule 21 absinkt, und mithin
das gegen den Adsorbens 21a adsorbierte gasförmige 02 desorbiert wird. Dieses 02
wird sodann ausgespült und an der gemeinsamen bzw. Sammel-Austragleitung 7 gewonnen.
-
Sobald die 02-Konzentration während dieses Desorptionsschritts abzufallen
beginnt, werden die Ventile l5j und 29k zur Beendigung dieses Vorgangs geschlossen.
Da ein Teil des im Behälter 38 gespeicherten Restgases während des Desorptionsschritts
verbraucht und beim primären Drucksenkungsschritt ergänzt wird, muß der Behälter
38 ersichtlicherweise ein für die Gewährleistung dieser Funktionen ausreichend großes
Volumen besitzen. Wenn weiterhin ein Gas mit hoher 02-Konzentration als Produktgas
an der Sammel-Austragleitung 7 gewonnen wird, kann je nach der Konzentrationsgröße
das gesamte oder ein Teil des während des dritten Drucksenkungsschritts gelieferten
Restgases als Produkt gewonnen werden, indem zu Beginn oder während des dritten
Drucksenkungsschritts die Ventile 151, 291 und 13 geschlossen und cis Ventil 15j
geöffnet werden.
-
Wenn die Adsorptionssäule 19 auf den ersten Verfahrensschritt übergeht,
beginnt in der Säule 20 der dritte Verfahrensschritt, wobei nur das Ventil 29f geöffnet
ist.
-
Infolgedessen wird gasförmiges N2 niedrigen Drucks aus dem Behälter
34 über die Hauptabführleitung 33, das Ventil 29f, die Abführleitung 26b und das
Sammelrohr 23 in die Adsorptionssäule 20 eingeleitet, in welcher der Desorptionsschritt
beendet worden ist, worauf ein Niederdruck-Druckerhöhungsschritt einsetzt. Wenn
sich die Innendrücke von Behälter 34 und Säule 20 einander nahezu angeglichen haben,
wird zur Einleitung des Niederdruck-Adsorptionsschritts das Ventil 15g geöffnet.
Bei diesem Vorgang wird das während des sekundären (zweiten) Drucksenkungsschritts
im Beruhigungsbehälter 10 gespeicherte Restgas über das Strömungsmengen-Regelventil
9, die Hauptaustragleitung 8, die Austragleitung 5b, das Ventil 15g und das Sammelrohr
17 der Adsorptionssäule 20 eingespeist.
-
Infolgedessen wird das in diesem Gas enthaltene 02 gegen den Adsorbens
20a adsorbiert, während das kondensierte, abgetrennte gasförmige N2 über das Sammelrohr
23, die Abführleitung 26b, das Ventil 29f und die Hauptabführleitung 33 zum Beruhigungsbehälter
34 abgeführt wird.
-
Durch Beobachtung und Bestimmung des Zeitpunkts, zu dem die 02-Konzentration
in diesem Gas anzusteigen beginnt, werden die Ventile 15g und 29f geschlossen, um
den Niederdruck-Adsorptionsschritt zu beenden. Es ist darauf hinzuweisen, daß der
Niederdruck-Druckerhöhungsschritt und der Niederdruck-Adsorptionsschritt durch gleichzeitiges
öffnen der Ventile 15g und 29f zu einem einzigen Verfahrensschritt zusammengefaßt
werden können. Je nach der 02-Konzentration in dem vom Beruhigungsbehälter 34 gelieferten
gasförmigen N2 niedrigen Drucks kann auch eine Abwandlung in der Weise vorgenommen
werden, daß anstelle des Ventils 29f das Ventil 15g geöffnet und damit der Niederdruck-Druckerhöhungsschritt
durch Einspeisung des Restgases in die Adsorptionssäule 20 durchgeführt wird.
-
Wenn in der Säule 20 der Niederdruck-Adsorptionsschritt
abgeschlossen
ist, wird das Ventil 29e geöffnet, so daß das im Behälter 31 befindliche gasförmige
N2 hohen Drucks über die Sammel-Abführleitung 30, das Ventil 29e, die Abführleitung
25b und das Sammelrohr 23 zur Durchführung des Hochdruck-Druckerhöhungsschritts
in die Adsorptionssäule 20 eingeführt wird. Wenn sich die Innendrücke des Behälters
31 und der Säule 20 einander nahezu angeglichen haben, wird außerdem zur Beendigung
des Hochdruck-Druckerhöhungsschritts das Ventil 29e geschlossen. Es ist darauf hinzuweisen,
daß das Ventil 29e (auch) in Vorbereitung auf den anschließenden Hochdruck-Adsorptionsschritt
offen bleiben kann. Da das im Behälter 10 gespeicherte Restgas während des Niederdruck-Adsorptionsschritts
verbraucht und das verbrauchte Restgas im sekundären Drucksenkungsschritt ergänzt
bzw. nachgeliefert wird, muß der Beruhigungsbehälter 10 ein für die Durchführung
dieser Funktionen ausreichend großes Volumen besitzen. Je nach der 02-Konzentration
in dem vom Behälter 31 gelieferten gasförmigen N2 hohen Drucks kann außerdem eine
Abwandlung in der Weise vorgenommen werden, daß anstelle des Ventils 29e das Ventil
15e während des Hochdruck-Druckerhöhungsschritts geöffnet wird, um die unbehandelte
Luft in die Adsorptionssäule 20 einzuführen und dadurch den Hochdruck-Druckerhöhungsschritt
durchzuführen.
-
Eine weitere Abwandlung ist in der Weise möglich, daß nach der Beendigung
des Niederdruck-Druckerhöhungsschritts die Adsorptionssäule 20 auf den Hochdruck-Adsorptionsschritt
übergeht und die Ventile 15e und 29e gleichzeitig geöffnet werden, um die Hochdruck-Druckerhöhung
und die Hochdruck-Adsorption gleichzeitig durchzuführen (die oben beschriebene Arbeitsweise
entspricht einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung).
-
Bei der beschriebenen ersten Ausführungsform wird im Verlauf der primären
und sekundären Drucksenkungsschritte das Restgas durch öffnen der Ventile 151 und
291 von beiden Seiten der Adsorptionssäule 21 geliefert bzw. abge-
führt.
Es kann jedoch eine Abwandlung dahingehend vorgenommen werden, daß während des primären
Drucksenkungsschritts die Ventile 151 und 291 offen sind, während im Verlauf der
anderen Drucksenkungsschritte, zumindest während des zweiten Drucksenkungsschritts,
das Restgas durch Öffnen nur des Ventils 151 von der einen Seite der Säule 21 geliefert
wird. In jeder anderen Hinsicht entspricht die Arbeitsweise derjenigen der zuerst
beschriebenen Ausführungsform (die genannte Abwandlung stellt eine zweite bevorzugte
Ausführungsform dar).
-
In der folgenden Tabelle I finden sich die Ergebnisse eines Vergleichs
zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und den bisherigen Verfahren, wobei die
Adsorptionssäulen gemäß Fig. 1 und 2 bzw. gemäß Fig. 3 jeweils mit 10 kg eines Adsorbens
bzw. Adsorptionsmittels (Fe-K-Na-A) gefüllt waren. Aufgrund des verwendeten Adsorbens
(Fe-K-Na-A) wird Sauerstoff (02) adsorbiert, während Stickstoff (N2) nicht adsorbiert
wird. Beim Versuchslauf mit der zweiten Ausführungsform wurden die Ventile 29d,
29h und 291 während der zweiten und dritten Drucksenkungsschritte geschlossen gehalten.
-
Tabelle 1
Erfindungsgemäßes Verfahren Bisheriges Verfahren |
Fig. 3 Fig.1 Fig. 2 |
Testvorrichtung und -verfahren 1.Ausführungsform 2.Ausführungsform
Evakuter-Desorp- Spül-Desorption |
tion |
Druck ata 6 6 6 6 |
Speiseluft Strömungsmenge Nm³/h 10,0 10,0 10,0 10,0 |
Temperatur °C 25 25 25 25 |
Hoch- |
Druck druck ata 6 6 6 6 |
Nieder- |
druck ata 2,5 2,2 - - |
geliefer- Hoch- |
tes N2 Strömungs- druck Nm³/h 4,8 4,3 4,9 4,5 |
menge Nieder- |
druck Nm³/h 1,5 1,7 - - |
Gesamt Nm³/h 6,3 6,0 4,9 4,5 |
O2-Konzentration Vol,-% 1 oder darunter 1 oder darunter 1 oder
darunter 1 oder darunter |
Druck ata 1,2 1,2#0,2 1,2 |
Strömungsmenge Nm³/h 2,1 1,4 1,7 |
O2-Konzentration Vol,-% 74 70 55 |
Strömungsmenge, reines O2 Nm³/h 1,55 0,98 0,94 |
Aus obiger Tabelle geht folgendes hervor: 1. Unabhängig davon,
daß nur der Kompressor 2, nicht aber eine Vakuumpumpe verwendet wurde und damit
der Leistungsverbrauch niedrig war, konnten die Abführ- bzw. Lieferströmungsmengen
an gasförmigem N2 und 0 2 im Vergleich zu den bisherigen Verfahren unter entsprechender
Senkung der Herstellungskosten erhöht werden.
-
2. Wenn die Restgas-Abführung im Verlauf einer Reihe von Drucksenkungsschritten
von beiden Seiten der Adsorptionssäule erfolgt-, lassen sich größere Strömungsmengen
an gasförmigem N2 und 02 alsdann erzielen, wenn diese Abführung oder LieEerung nur
während des primären Drucksenkungsschritts erfolgt; diese Verfahrensführung liefert
also ein besseres Ergebnis bei Senkung der Herstellungskosten. Wenn das Restgas
nur von einer Seite (der Einspeiseseite für die unbehandelte Luft) der-Adsorptionssäule
während des dritten Drucksenkungsschritts geliefert wird, liegt die Strömungsmenge
zwischen den beiden genannten Werten.
-
3. Wie erwähnt, -ist beim erfindungsgemäßen Verfahren die Liefer-
bzw. Abführmenge an gasförmigem N2 groß; hieraus folgt, daß die 02-Konzentration
in dem über die Austragleitungen 7 und 14 ausgetragenen Gas hoch ist.
-
Insbesondere im Fall der ersten Ausführungsform beträgt die 02-Konzentration
74 %, was eine entsprechende Kostensenkung für die Herstellung von gasförmigem 02
bedeutet.
-
Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung stellt eine vereinfachte Ausführungsform
der Vorrichtung nach Fig. 3 insofern dar, als die Zahl der Abführ- und Austragleitungen
an beiden Enden der Adsorptionssäulen von 4 auf 3 verringert ist. Außerdem sind
bei der Vorrichtung gemäß Fig.4 die Leitung 8 zusammen mit den Ventilen 9 und 11
sowie dem
Beruhigungsbehälter 10, ebenso wie der Beruhigungsbehälter
38 und das Ventil 39, weggelassen.
-
Die Leitungen 33 und 36 sind unter Weglassung des Beruhigungsbehälters
34 und des Auslasses 35 zusammengeschaltet, und das Strömungsmengen-Regelventil
37 befindet sich gemäß Fig. 4 an der Verzweigung oder Verbindung der Leitungen 33
und 36.
-
Die Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 4 entspricht weitgehend
derjenigen bei der Vorrichtung nach Fig. 3, doch führen in diesem Fall die drei
Adsorptionssäulen 19, 20 und 21 die folgenden Verfahrensschritte durch: I einen
Adsorptionsschritt, II einen Drucksenkungsschritt und III einen Desorptionsschritt
sowie einen Druckerhöhungsschritt.
-
Diese Schritte werden aufeinanderfolgend in der angegebenen Reihenfolge,
aber in zueinander versetztem Takt durchgeführt. Wenn die Adsorptionssäule 19 auf
den ersten Schritt übergeht, werden die Ventile 15a und 29a geöffnet und die Ventile
15b, 15c, 29b und 29c geschlossen. Die durch den Verdichter 2 verdichtete unbehandelte
Luft wird somit über die Hauptspeiseleitung 1, die Speiseleitung 3a, das Ventil
15a und das Sammelrohr 16 in die Adsorptionssäule 19 eingespeist. Beim Durchströmen
der Adsorptionssäule 19 wird das in der unbehandelten Luft enthaltene 02 (als adsorptionsfähiger
Gasbestandteil) gegen den Adsorbens 19a adsorbiert, während N2 (als unadsorbierbare
Gaskomponente) kondensiert und über L. : das Sammelrohr 22, die Abführleitung 25a,
das Ventil 29a und die Sammel-Abführleitung 30 zum Beruhigungsbehälter 31 geliefert
und weiterhin als Produktgas über die Hauptabführleitung 32 aus der Anlage abgezogen
wird.
-
Wenn die Adsorptionssäule 19 auf den ersten Verfahrensschritt übergeht,
beginnt gleichzeitig in der Adsorptionssäule 21 der zweite Verfahrensschritt. In
diesem Augenblick hat sich eine Massenübertragungszone von gasförmigem 0 2 in die
Nähe des Auslaßendes (zur Seite des Sammelrohrs 24) verschoben, wobei näher zum
Auslaß hin fortschreitend mehr gasförmiges N2 vorhanden ist. Das Innere der Adsorptionssäule
21 wird auf einem dem Adsorptionsdruck entsprechenden Druck gehalten. Wenn unter
diesen Bedingungen nur das Ventil 29k geöffnet wird, wird anfänglich gasförmiges
N2 ausgetragen, während anschließend die am Einlaßende (der Seite des Sammelrohrs
18) zurückgebliebene Luft austritt und aufgrund dieses Luftstroms der Partialdruck
des gasförmigen 02 gesenkt und demzufolge 02 desorbiert wird, so daß ein Gas mit
vergleichsweise hoher 0 2-Konzentration geliefert wird. Wenn dagegen nur das Ventil
15k geöffnet wird, strömt anfänglich die Luft aus, während anschließend gasförmiges
N2 ausgetragen wird; aufgrund dieses N2-Stroms wird der 02-Partialdruck gesenkt
und gasförmiges 0 2 desorbiert, so daß in diesem Fall die Gefahr dafür besteht,
daß ein Gas mit vergleichsweise hoher 02-Konzentration geliefert wird. Aus diesem
Grund werden beide Ventile 15k und 29k geöffnet, um ein Restgas-Gemisch (Poren-
bzw. Restgas) aus der Adsorptionssäule 21 über das Sammelrohr 18, das Ventil 15k
und die Austragleitung 5c zur Austragleitung 36 und außerdem über das Sammelrohr
24, das Ventil 29k und die Austragleitung 27c zur Austragleitung 36 auszutragen;
auf diese Weise wird der primäre Drucksenkungsschritt durchgeführt. Bei diesem Vorgang
wird der Druck des Gasgemisches innerhalb der Adsorptionssäule 21 auf einen vorbestimmten
Druckwert gesenkt, weshalb gasförmiges 02 vom Adsorbens 21a desorbiert und der 02
Partialdruck um den Adsorbens 21a herum hoch wird, doch da die Strömungsmenge oder
Durchsatzmenge des die Adsorptionssäule 21 durchströmenden Gasgemisches klein ist,
wird der 02-Partialdruck um den Adsorbens 21a herum nicht herabgesetzt, vielmehr
bleibt das gasförmige 02 um den Adsorbens 21a herum zurück, so daß die Q2-Desorption
nicht stattfin-
det und das 02 damit gegen den Adsorbens 21a adsorbiert
bleibt. Wenn darüber hinaus auf noch zu beschreibende Weise die Desorption in der
Adsorptionssäule 20 beendet ist, wird das Ventil 29k an der Säule 21 geschlossen.
-
Außerdem wird zur Einleitung des sekundären (zweiten) Drucksenkungsschritts
das Ventil 13 geöffnet, wobei das überschüssige, in der Säule 21 verbleibende Gasgemisch
über das Sammelrohr 18, das Ventil 15k, die Austragleitung 5c, das Ventil 13 und
die Austragleitung 14 aus der Anlage abgeführt wird. Die 02-Konzentration des während
dieser sekundären Drucksenkung gelieferten Gases ist zwar anfänglich niedrig, doch
steigt sie im Verlauf der Drucksenkung an, so daß es beim Abziehen vom gasförmigen
02 als Gasprodukt möglich ist, zu Beginn oder während der sekundären Drucksenkung
die Ventile 15k und 13 zu schliessen und das Ventil 15j zu öffnen und dabei das
gasförmige 02 über die Sammel-Austragleitung 7 außerhalb der Anlage zu gewinnen.
Wenn der in der Adsorptionssäule 21 herrschende Druck auf eine vorbestimmte Größe
gesenkt worden ist, werden zur Beendigung des sekundären Drucksenkungsschritts die
Ventile 29k und 13 geöffnet.
-
Wenn in der Adsorptionssäule 19 der erste Verfahrensschritt, d.h.
der Adsorptionsschritt eingeleitet wird, geht die Adsorptionssäule 20 auf den dritten
Verfahrensschritt, d.h. den Desorptions- und Druckerhöhungsschritt über. Dabei werden
zunächst die Ventile 15f und 29f geöffnet und die Ventile 15e, 15g, 29e und 29g
geschlossen.
-
Demzufolge wird das in der Adsorptionssäule 21 enthaltene, zur Austragleitung
36 ausgetragene Restgasgemisch über das Strömungsmengen-Regelventil 37, die Speiseleitungen
33 und 26b, das Ventil 29f und das Sammelrohr 23 zur Adsorptionssäule 20 geführt.
Während das in der Säule 20 befindliche Gas ausgespült wird, wird das gegen den
Adsorbens 20a adsorbierte 02 desorbiert. Ein vom Adsorbens 20a freigegebenes Gas
hoher 02-Konzentration wird auch über das Sammelrohr 17, das Ventil 15f, die Austragleitung
4b und
die Sammel-Austragleitung 7 ausgetragen und gewonnen. Anschließend
werden die Ventile 15f und 29f geschlossen, während das Ventil 29e geöffnet wird.
Demzufolge wird gasförmiges N2 aus dem Behälter 31 über die Haupt-Abführleitung
30, die Abführleitung 25b, das Ventil 29 und das Sammelrohr 23 in die Adsorptionssäule
20 ausgespült, so daß deren Druck auf einen vorbestimmten Wert ansteigt. Wenn der
erforderliche Druck erreicht ist, wird zur Einleitung des Desorptions- und Druckerhöhungsschritts
das Ventil 29e geschlossen. Je nach den Anteilen der betreffenden Zeitspannen für
die Durchführung der oben angegebenen drei Verfahrensschritte kann jedoch der Druckerhöhungsschritt
zu Beginn des Adsorptionsschritts durchgeführt werden, indem die Ventile 15a und
29a geöffnet werden, wenn die Adsorptionssäule 19 unter Auslassung des Druckerhöhungsschritts
und bei gleichzeitiger Einführung von unbehandelter Luft und gasförmigem N2 auf
den Adsorptionsschritt übergeht (entsprechend einer dritten bevorzugten Ausführungsform).
Während das Gasgemisch an der einen Seite der Adsorptionssäule 21 ausgetragen wird,
indem das Ventil 15k beim übergang der Säule 21 auf die sekundäre Drucksenkung bei
der genannten dritten Ausführungsform im Offen-Zustand gehalten wird, kann weiterhin
das Gasgemisch im Offen-Zustand beider Ventile 15k und 29k und bei weiterhin geöffnetem
Ventil 13 von beiden Seiten der Adsorptionssäule 21 ausgetragen werden (entsprechend
einer vierten Ausführungsform).
-
Die in Fig. 5 dargestellte Adsorptions-Trennvorrichtung, bei welcher
im Gegensatz zur Vorrichtung nach Fig. 4 der Beruhigungsbehälter 38 wieder hinzugefügt
ist, arbeitet wie folgt: Ein im primären (ersten) Drucksenkungsschritt für die Desorption
ausgetragenes Gasgemisch wird über das Strömungsmengen-Regelventil 37 ünmittelbar
in eine andere, einen Desorptionsschritt ausführende Adsorptionssäule eingespeist,
wobei diese Adsorptionssäulen sowie eine Adsorptionssäule, in welcher ein Adsorptionsvorgang
stattfindet,
synchron betrieben werden. Bei dieser Vorrichtung
wird ein während einer primären Drucksenkung ausgetragenes Gasgemisch vorübergehend
im Beruhigungsbehälter 38 gespeichert, wobei dieses Gasgemisch sodann aus dem Behälter
38 einer anderen Adsorptionssäule eingespeist werden kann, in welcher ein sekundärer
Drucksenkungsvorgang beendet worden ist; unter diesen Voraussetzungen ist es nicht
immer nötig, eine primäre Drucksenkung mit einem Desorptionsvorgang zu synchronisieren
(entsprechend einer fünften Ausführungsform). Bei Weglassung des sekundären Drucksenkungsvorgangs
kann außerdem, wie erwähnt, die Zahl der Adsorptionssäulen auf zwei verringert werden.
-
In jeder anderen Hinsicht entspricht die Verfahrensführung bei der
fünften Ausführungsform derjenigen der dritten Ausführungsform. Bei dieser fünften
Ausführungsform ist es außerdem möglich, das in der Adsorptionssäule befindliche
Gasgemisch von beiden Seiten der Adsorptionssäule abzuziehen und während des sekundären
Drucksenkungsvorgangs im Beruhigungsbehälter 38 zu speichern (entsprechend einer
sechsten Ausführungsform).
-
In der folgenden Tabelle finden sich die Ergebnisse eines Vergleiches
des bisherigen Verfahrens mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Adsorptionssäulen
gemäß Fig.1 bzw. gemäß Fig. 2 und 3 mit 10 kg Fe-K-Na-A als Adsorbens bzw. 7,5 kg
Fe-Na-A als Adsorbens gefüllt waren.
Eingefüllter Absorbens Fe-K-Na-A Fe-Na-A |
bisheriges Verf. Erfindungsgem. Verf. bisheriges Verf. Erfindungsgem.
Verf. |
Fig. 1 Fig.2 Fig. 4 Fig. 4 Fig. 1 Fig. 2 Fig. 5 Fig. 5 |
Evakuier- Spül- 3. Aus- 4. Aus- Evakuier- Spül- 5. Aus- 6.
Aus- |
Testvorrichtung und- verfahren Desorption Desorption füh- führungs-
Desorption Desorp- führungs- führungs- |
rungs- form tion form form |
form |
Adsorptions-# Druck ata 6 6 6 6 6 6 6 6 |
säulen- # Strömungsmenge Nm³/h 10 10 10 10 10 10 10 10 |
Speiseluft # Temperatur °C 25 25 25 25 0 0 0 0 |
# Druck ata 6 6 6 6 6 6 6 6 |
Abgeführtes # Strömungsmenge Nm³/h 4,9 4,5 5,2 5,0 5,6 5,0
5,6 5,1 |
N2 # O2-Konzentration Vol.-% 1 oder 1 oder 1 oder 1 oder 1
oder 1 oder 1 oder 1 oder |
darunter darunter darunter darunter darunter darunter darunter
darunter |
# Druck ata 1,2 # 0,2 1,2 1,2 1,2 1,2 # 0,2 1,2 1,2 1,2 |
# Strömungsmenge Nm³/h 1,4 1,7 1,7 1,8 1,4 1,5 1,4 1,7 |
Abgeführtes # O2-Konzentrations- Vol.-% 70 55 57 74 79 63 65
84 |
O2 # äquivalent |
# Strömungsmenge Nm³/h 0,98 0,94 0,94 1,33 1,23 0,94 0,96 1,43 |
# reines O2 |
-
1. Wie sich aus obiger Tabelle 2 ergibt, ist bei der fünften Ausführungsform
unabhängig von der weggelassenen Vakuumpumpe die N2-Lieferströmungsmenge gleich
groß oder größer als bei den bisherigen Verfahren. Obgleich in Tabelle 2 nicht aufgeführt,
kann mit der dritten Ausführungsform der Erfindung ein ähnliches Ergebnis erzielt
werden. Hieraus läßt sich schließen, daß sich zumindest die Energiekosten für die
Vakuumpumpe einsparen lassen.
-
2. Bei der sechsten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl die
02-Lieferströmungsmenge als auch die 02-Konzentration im Vergleich zu den bisherigen
Verfahren verbessert. Darüber hinaus ist die Strömungsmenge an reinem O, im gelieferten
bzw. abgeführten gasförmigen 02 beträchtlich erhöht, so daß sich die Energiekosten
pro Nm3 an reinem O2 stark verringern, wozu auch das Fehlen der Vakuumpumpe beiträgt.
Das gleiche Ergebnis kann bei der vierten Ausführungsform erwartet werden.
-
3. Wie sich aus obigem ergibt, eignen sich für das Extrahieren von
gasförmigem N2 als Produktgas besonders vorteilhaft die dritte und die fünfte Ausführungsform,
während für das Extrahieren von gasförmigem 02 als Produktgas die zweite und die
vierte Ausführungsform am vorteilhaftesten sind.
-
4. Die Adsorptions- und Desorptionsvorgänge müssen während einer bestimmten
Zeitspanne durchgeführt werden; andererseits ist jedoch die Desorption des gegen
den Adsorbens adsorbierten gasförmigen 02 um geringer, je schneller der Drucksenkungsvorgang,
ohne Beschädigung des Adsorbens, durchgeführt wird. Diesbezüglich sind andererseits
die fünfte und die sechste Ausführungsform vorteilhafter als die dritte und die
zweite Ausführungsform. Bei fünfter und sechster Ausführungsform ist es außerdem
nicht immer nötig, den primären Drucksenkungsvorgang mit dem Desorptionsvorgang
zu synchronisieren,
woraus sich ein größerer Spielraum bezüglich
der Reihenfolge der Verfahrensschritte ergibt und ausserdem je nach der für die
betreffenden Verfahrensschritte erforderlichen Zeit die Zahl der Adsorptionssäulen
auf zwei verringert werden kann.
-
Leerseite